Nanofio pode salvar indústria de computadores

Nos anos 1960, um dos fundadores da Intel, Gordon Moore, notou uma tendência na indústria eletrônica, que de tão bem comportada ganhou o nome de “lei de Moore“: o número de transistores que cabem dentro de um chip de circuito integrado dobra a cada dois anos mais ou menos. Essa miniaturização frenética chegou ao ponto que os componentes da última geração de microchips tem um tamanhos de 22 nanômetros, isto é, apenas 100 vezes o espaçamento entre os átomos do cristal de silício de que são feitos.

Com os componentes chegando perto da escala atômica, a lei de Moore está próxima de ser quebrada. Isso porque as leis clássicas da eletrônica, que tratam os elétrons da corrente elétrica como bolinhas, não devem funcionar direito na escala atômica, em que os elétrons também podem se comportar como ondas, interferindo uns com os outros. Além disso, físicos e engenheiros esperam que à medida que a espessura dos fios interconectando os componentes dentro dos microchips ultrapasse a marca dos 10 nanômetros, a sua resistência – uma medida de quanto o material impede o movimento dos elétrons da corrente elétrica – aumentará exponencialmente devido ao aumento da razão entre área e volume dos fios – os elétrons na superfície dos fios perderiam muito mais energia para o meio externo. A indústria eletrônica precisaria reformular todo o seu processo de produção ao alcançar essa escala.

Mas de acordo com uma pesquisa publicada ontem na revista Science, parece que a lei de Moore pode ser mantida por mais duas ou três gerações a mais do que se pensava. Uma equipe internacional de onze pesquisadores coordenada por Bent Weber e Michelle Simmons da Universidade da Nova Gales do Sul, Austrália, conseguiu criar nanofios feitos de até quatro fileiras de átomos de fósforo (1,5 nanômetro de largura). O fósforo tem um elétron a mais que o silício, funcionando como um fio condutor de eletricidade imerso em um cristal de silício. Surpreendentemente, a resistência desses fios não cresce exponencialmente mas linearmente, obedecendo a clássica lei de Ohm, V = RI, onde V é o potencial elétrico entre as extremidades do fio, I é a corrente elétrica e a constante R é a resistência. A leis da eletrônica clássica também ditam que R é proporcional ao comprimento do fio e inversamente proporcional a sua área.

Para criar os nanofios, os pesquisadores esculpiram vários canais nanométricos em um cristal de silício, usando a ponta de um microscópio de varredura por tunelamento para depositar os átomos de fósforo nesses canais. Em seguida, cobriram tudo com outra camada cristalina de silício, isolando os nanofios de efeitos de superfície que poderiam diminuir suas propriedades condutoras.

Os cinco fios de comprimentos diferentes produzidos obedeceram a leis convencionais da eletrônica, conduzindo eletricidade com uma eficiência comparável a dos melhores interconectores de cobre usados nos microprocessadores atuais. O segredo da manutenção da lei de Ohm na escala atômica, de acordo com David Ferry, da Universidade Estadual do Arizona, EUA, que escreveu um comentário sobre a pesquisa na Science, está na alta densidade de átomos de fósforo que os pesquisadores obtiveram. O átomos de fósforos apinhados aumentam a densidade dos elétrons, o que provoca colisões e o espalhamento deles, desfazendo os fenômenos ondulatórios que alterariam a lei de Ohm.

Embora valha com uma demonstração de que é possível estender as leis da eletrônica a escalas atômicas, a técnica usada pelos pesquisadores ainda não pode ser usada em processos industriais, que imprimem circuitos inteiros no silício.

Na verdade, grupo de Simmons não está interessado na eletrônica convencional. Eles esperam usar os átomos individuais de fósforo como bits quânticos que poderiam ser interconectados pelos nanofios no circuito de um computador quântico. Mas Ferry duvida que isso seja possível, uma vez que o fenômeno ondulatório chamado de coerência, destruído nos nanofios, é essencial para a computação quântica.

Fontes: Nature, Sci Am, Physics World, New Scientist

Referências

Weber, B., Mahapatra, S., Ryu, H., Lee, S., Fuhrer, A., Reusch, T., Thompson, D., Lee, W., Klimeck, G., Hollenberg, L., & Simmons, M. (2012). Ohm’s Law Survives to the Atomic Scale Science, 335 (6064), 64-67 DOI: 10.1126/science.1214319

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